книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

Рис. 856. Блок-схема радиолокационной системы, изображенной на рис. 85а

с частотой следования 1 2 0 0 гц\ они имеют длительность

1 мксек и пиковую мощность около 500 кет. Прецизионная РЛС [19] является составной частью

наземного комплекса управления так называемой GCAустановки (Ground Controlled Approach) и служит для того, чтобы обеспечить условия для безопасного при­ земления при плохой видимости. Принцип действия

поле и в ближайшей окрестности аэродрома непосред­ ственно наблюдается с башни управления в условиях оптической видимости. Управление подлетающими само­ летами осуществляется с помощью радиолокационного наблюдения в той секции башни, которая распола­ гается под стеклянной вышкой. Отсюда радиолоцман и руководит по радиотелефону полетом приближаю­

излучает поочередно два узких пучка, направленных вдоль посадочной дорожки. Азимутальная антенна про­ сматривает горизонтальный сектор, а антенна опреде­ ления угла места — вертикальный. Схема азимутальновертикального поиска представлена в средней части рис. 8 6 а; она позволяет понять, как на экране создается

изображение, у которого верхняя часть растра дает вертикальное сечение воздушного пространства в на­

образуется при секторном поиске с помощью азиму­ тальной антенны. В кабине прецизионной РЛС, кроме антенн, размещаются блоки передатчика и приемника. Эта станция работает на длине волны Я=3 см.

Для наблюдения за летным полем аэродрома при­ меняется радиолокационная установка малого радиуса действия с длиной волны А,= 8 ,6 мм. Такие установки

имеют весьма высокую разрешающую способность; сиг­ налы, отраженные от различных объектов, должны четко различаться. Минимальное разрешение по даль­ ности такого радиолокатора составляет около 6 м. При­

менение еще более коротких волн, возможно даже суб­ миллиметровых, позволит получить в будущем еще большие разрешения.

162

В морской радиолокации различают корабельные и наземные (портовые и береговые) радиолокационные устройства. Корабельные радиолокаторы должны «ви­ деть» как неподвижные морские цели (буи и берего­ вые ориентиры), так и цели движущиеся. Этот так на­ зываемый радиолокатор «действительного движения»

позволяет получать сведения об абсолютном движении судов, в том числе и собственного корабля, о направ­ лении и скорости движения. Получение информации в таком виде имеет то преимущество, что абсолютный курс и действительная скорость другого судна могут считываться непосредственно с индикаторных приборов. Это особенно важно, когда несколько кораблей дей­ ствуют близко один от другого. С помощью указанного метода можно сразу же узнавать, что происходит в непосредственной близости от собственного корабля (защита от столкновений).

164

В судоходстве по рекам и озерам используют ра­ диолокаторы только ближнего действия, для этой цели требуется значительно большая разрешающая способ­ ность, чем в случае морских судов. Поэтому рассмат­ риваемые радиолокационные устройства работают исключительно на длинах волн Я=3,2 см и 8 мм. Эти

длина кабеля 3 J км

системы рис. 85а.

устройства должны «меть разрешение не ^же 15 м и надежно сообщать о целях с отражающей поверхностью до 10 м2 (центр отражения которой расположен в

полуметре над поверхностью воды), находящихся на расстоянии до 1,2 км. При измерении дальности допу­ скается ошибка до 2% от измеренного расстояния. Ра­ диальная разрешающая способность при определении расстояния между двумя целями с эффективной отра­ жающей поверхностью 10 м2 должна быть лучше 10 м.

Особое значение здесь имеет формирование диаграм­ мы направленности антенны, конструкция которой в

165

большой степени определяется местом установки ее на речном судне.

Задача береговых РЛС состоит исключительно в сообщении добавочной навигационной информации на корабль для повышения безопасности плавания («ра­ диолокатор безопасности»). Создаваемые для этих це­ лей радиолокаторы работают обычно в 3-см, иногда также в 10-сл* диапазонах длин воли. Разрешающая способность по дальности радиолокаторов безопасно­ сти должна быть лучше 15 ж и точность определения азимута не менее 0,4°. Другие требования относятся к высоте установки антенны (около 30 м над водным зер­ калом), к ширине радиолуча в вертикальном сечении (около 15°) и к его горизонтальной ширине (±0,3°). В ряде случаев, как, например, для радиолокатора в Гамбургском порту, требуется еще лучшая горизон­ тальная острота луча (около ±0,15°).

Для обеспечения судоходства на морском побе­ режье и на водных трассах устанавливаются также ра­ диолокаторы вторичного действия (радиолокатор-ответ­ чик, см. раздел VI.6 ), которые работают в З-сл* и 10-слг

диапазонах волн.

В качестве последнего вида импульсных радиоло­ каторов упоминался «радиолокатор погоды», который как вспомогательное средство находит применение в метеорологии и интересен здесь по двум причинам. В аэрологии радиолокаторы используются для измере­ ния высотных ветров при радиолокационном наблюде­ нии за движением метеорологических шаров-зондов на высотах до 100 км. Слежение осуществляется вручную или автоматически. Эти радиолокационные устройства отличаются высокой точностью измерения как азимута и угла места, так и наклонной дальности. Это дости­ гается применением узкого радиолуча (1°) и коротких

длительностей импульса (0,5 мксек). В противополож­ ность упомянутому выше применению значительные по­ мехи, возникающие при атмосферных осадках и облач­ ности, становятся полезными при наблюдении с по­ мощью тех же самых метеорологических радиолокато­ ров отражений осадков и облаков. Метеолокаторы для наблюдения осадков и для наблюдения облаков долж­ ны принципиально отличаться друг от друга. В радио­ локаторах для наблюдения осадков вообще применяются

166

длины волн в диапазоне 3-г- 10 см, использование ко­

торых в средних широтах является благоприятным компромиссом между эффектами отражения и погло­ щения радиоволн. Точность определения координат при этих наблюдениях не играет особой роли, так как атмо­ сферные осадки всегда занимают обширные области пространства, которые к тому же перемещаются отно­ сительно медленно. В противоположность этому в ра­ диолокационных установках для наблюдения облакоз выгоднее применять возможно более короткие волны, поскольку согласно релеевскому закону рассеяния на­ пряженность рассеянного электромагнитного излучения пропорциональна отношению четвертой степени радиуса частиц к длине волны. Здесь применяют длины воли А,—0,86 см или А=1,25 см. Чем короче длина волны, тем лучше просматриваются структура и свойства об­ лаков. При наблюдении атмосферных осадков на основ­ ной сигнал всегда накладывается сигнал, отраженный от облаков и тем больший, чем короче длина волны. Важным является также прогнозирование штормов с помощью радиолокации. Однако это применение в на­ ших средних широтах имеет меньшее значение, чем в тропиках, где довольно часто случаются разрушитель­ ные ураганы.

Обзор типов и параметров различных радиолока­ ционных устройств сантиметровых и миллиметровых волн дается в работе [2 0 ].

3. Радиолокационные станции непрерывного действия

а) ЧМ-радиолокатор

Обсуждавшиеся ранее радиолокационные устрой­ ства работают в режиме импульсной модуляции. В про­ тивоположность этому в радиолокаторах с частотномодулированным сигналом (ЧМ-радиолокаторы) ампли­ туда излучаемых волн поддерживается постоянной и вместо этого изменяется их частота. Частотная модуля­ ция в той же мере пригодна для измерения расстоя­ ния. Во время распространения волны от передатчика до цели и обратно к приемнику частота излучаемой волны изменяется и оказывается отличной от частоты

167

принимаемого сигнала. Возникающая разность частот зависит от расстояния до цели и поэтому является ме­ рой ее удаленности. В простейшем случае используется линейная модуляция частоты (пилообразная модуля­ ция). При этом разность частот посылаемой и прини­ маемой волн прямо пропорциональна дальности цели. Дальности могут тогда считываться непосредственно со шкалы измерителя частоты, который градуируется в единицах расстояния.

ЧМ-радиолокатор используется в бортовой самолет­ ной аппаратуре для определения высоты полета. Для линейного закона изменения частоты с амплитудой измеряемое расстояние рассчитывается по формуле

в которой Т— период модуляции (например, время на­ растания пилообразного изменения), А /— разность ча­ стот посылаемого и принимаемого электромагнитного сигнала и с — скорость света. Т должно быть больше самого длительного (из возможных) времени распро­ странения сигнала, а частота передатчика должна быть больше изменения частоты А/. Мощность передатчика часто составляет всего лишь несколько ватт.

б) Допплеровская радиолокация

Допплеровские радиолокационные станции [21, 22] используют эффект, открытый физиком Допплером, сущность которого заключается в изменении частоты сигнала, принимаемого от источника излучения (элек­ тромагнитный передатчик, источник звука), если ис­ точник приближается к наблюдателю (к приемнику) или удаляется от него. Частота повышается, если рас­ стояние между передатчиком и приемником умень­ шается, и понижается, если один удаляется от другого. Если движение происходит со скоростью о, которая очень мала по сравнению со скоростью распростране­ ния волны с, то частота принимаемого сигнала дается соотношением

где fo — частота излучаемой волны и Х=с/ / 0 — ее длина.

При сближении приемника и передатчика справедлив

168

положительный знак, при удалении — отрицательный. Если электромагнитные волны, излученные покоящимся передатчиком, отражаются движущимся телом и при­ нимаются опять в точке излучения, то изменение частоты в два раза больше, чем ранее, а именно:

Изменение частоты fD называется допплеровской ча­ стотой. Если она измерена, то может быть определена при известной длине волны X скорость v движущегося тела. Если радиолокационная цель движется не прямо к точке приема — передачи и направление .ее движения составляет угол а с линией, соединяющей передатчик

Радиолокатор

Рис. 87. Радиальная компонента ско­ рости при допплеровских измерениях.

и цель (рис. 87), то допплеровский радиолокатор из­ меряет радиальную компоненту скорости v cos а вдоль указанной линии соединения. В противоположность опи­ санным ранее способам радиолокации допплеровская РЛС измеряет, следовательно, радиальную скорость цели, а не расстояние до нее. На рис. 8 8 поясняются

процесс измерения и принцип действия допплеровской РЛС. Волны сверхвысокой частоты, генерируемые пе­ редатчиком, поступают-в волноводное гибридное сочле­ нение (двойной тройник), где их энергия распределяется по трем направлениям. Большая часть СВЧ-энергии

169